Viskositetsövervakning vid smältning av kvartsglas

Inom modern glasteknik är exakt kontroll av smältförhållandena av stor betydelse. Särskilt smältans viskositet har ett avgörande inflytande på vidare bearbetning, kvalitet och homogenitet. I laboratoriemiljö bestäms viskositet ofta med hjälp av rotationsviskosimetrar. En spindel roteras med konstant hastighet i provet. Det erforderliga vridmomentet mäts. Utifrån det viskösa motståndet bestäms därefter viskositeten.

I industriella smältprocesser, särskilt vid glasframställning, är denna typ av mätning ofta inte direkt genomförbar. I stället används övervakningsmetoder som ger realtidsdata och därmed möjliggör omedelbar processstyrning.

I vår kunds aktuella projekt gäller detta smältning av kvartsglas. Här är viskositeten inte bara ett mått på flytbarhet. Den gör det även möjligt att dra slutsatser om smältans interna tillstånd, till exempel håligheter (luftbubblor) eller ofullständig materialbindning.

Viskositetens betydelse för kvartsglas

Viskositeten hos smält glas har en avgörande roll i bearbetningen. Den bestämmer flytbarheten och därmed formbeteende, borttagning av bubblor, avgasning och homogenisering. För kvartsglas är förhållandena särskilt krävande. Detta beror på höga temperaturer och viskositeter samt den starka påverkan som temperatur och sammansättning har på viskositetskurvan.

Typiska egenskaper

• När temperaturen ökar minskar viskositeten kraftigt. Materialet blir då mer lättflytande.
• Små skillnader i sammansättning eller smälttillstånd, till exempel ofullständigt upplösta partiklar eller luftfickor, kan ha stor inverkan på viskositeten. Detta påverkar i sin tur kvalitet och bearbetning.
• För kvartsglas krävs exakt kunskap om sambandet mellan viskositet och temperatur. Detta behövs till exempel för att definiera ett arbetsområde där materialet kan bearbetas på ett säkert sätt.

I projektet användes viskositeten som en indikator. Den gjorde det möjligt att övervaka smältans homogenitet, förekomsten av oönskade inneslutningar, såsom luftbubblor, samt den fullständiga sammansmältningen av flera materialbatcher.

Anpassning till applikationen

Sensorn har utformats mekaniskt och termiskt för smältförhållandena hos kvartsglassmältan. Kalibreringen utfördes med referensprover eller modellsmältor. Detta gjorde det möjligt att i detalj fastställa sambandet mellan vridmoment och viskositet i den specifika processuppsättningen.

Sensorn integrerades i processen. Detta sker vanligtvis mellan motorn eller omröraren och impellern eller smältomröraren. Sensorn är ansluten i realtid till processstyrningssystemet. Eftersom vridmomentsensorer kan vara känsliga för sidokrafter får paddeln inte kopplas direkt till sensorn. I stället används dubbla lager för att undvika tvärkrafter.

Processimplementering

Den specifika processen delades upp i flera steg.

• Processanalys och målformulering
  Tillsammans med kunden definierades relevanta målvärden för viskositeten. Till exempel ett intervall från x till y Pa·s vid temperaturen T. Inom detta intervall betraktas smältan som homogen och luftbubblor är inte längre rörliga.
• Sensorinstallation
  SGR541 monterades mekaniskt så att vridmomentet eller torsionen i omrörningssystemet kunde mätas på ett tillförlitligt sätt. En dubbel lagring säkerställde att tvärkrafter minimerades.
• Kalibrering och referenssättning
  Referenskurvor togs fram med hjälp av laboratorie- eller pilotanläggningar med känd sammansättning och viskositetsvärden. Detta gjorde det möjligt att koppla sensorsignalen till absolut eller relativ viskositet. Detta enligt principen vridmoment viskositet vid konstant varvtal.
• Datainsamling i realtid och processövervakning
  Sensorn levererade kontinuerligt vridmomentsdata, varifrån viskositeten beräknades. Trendanalys möjliggjorde tidig upptäckt av avvikelser. Till exempel om viskositeten låg utanför målområdet. Detta kunde indikera instängda luftbubblor eller ofullständig blandning av materialbatcher.
• Åtgärder vid avvikelser
  Så snart den uppmätta viskositeten avvek från målkurvan vidtogs åtgärder omedelbart. Det kunde handla om justering av temperaturen, förlängning av omrörningstiden, extra avgasning, eller att batchen skickades tillbaka för ombearbetning.

Resultat och fördelar

Införandet av övervakning med SGR541 gav följande positiva effekter:

Slutsats

Detta projekt visar på ett tydligt sätt hur samspelet mellan sensorteknik (SGR541), kunskap om viskositet och processintegration kan leda till betydande förbättringar av kvalitetsprocesser inom tillverkning av kvartsglas. För tekniska testingenjörer, processansvariga och kvalitetssäkringsteam erbjuder denna lösning en robust grund för att öka effektivitet, kvalitet och säkerhet.